芯片選型小技巧 | Nor Flash和Nand Flash區(qū)別與共性

Flash閃存是一種非易失性存儲，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持數(shù)據(jù)，其存儲特性相當于硬盤。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，閃存技術(shù)的特性使其相對于許多計算機技術(shù)而言發(fā)展得更迅猛。 

   

 

Flash按照內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)的不同，可以分為兩種：Nor Flash和Nand Flash。Nor Flash，通常容量較小，主要用于存儲代碼；Nand Flash，容量較大，主要用于存儲資料，如數(shù)碼相機中所用的記憶卡。    

 

簡單來說，可概括為一張圖描述，“太長不看版”可參照下圖：   

  

 

具體來說，這兩種存儲器有何區(qū)別呢？本文將闡述。      

 

Nand Flash和 Nor Flash存儲器簡介      

 

（1）Nand Flash存儲器簡介    

 

1989年，東芝公司發(fā)表了Nand Flash結(jié)構(gòu)，強調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。Nand Flash沒有采取內(nèi)存的隨機讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，通常是一次讀取512個字節(jié)，同時內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內(nèi)存的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案。    

 

Nand flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲，因而應(yīng)用越來越廣泛，如嵌入式產(chǎn)品中包括手機、數(shù)碼相機、U盤等。    

 

（2）Nor Flash存儲器簡介    

 

Intel于1988年首先開發(fā)出Nor Flash技術(shù)，Nor Flash 的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP, eXecute In Place），其讀取和我們常見的 SDRAM 的隨機讀取形式類似，用戶可以直接運行裝載在 Nor Flash 里面的代碼，這樣可以減少 SRAM 的容量從而節(jié)約成本。因為其讀取速度快，不易出錯，多用來存儲程序、操作系統(tǒng)等重要信息。    

 

Nand Flash和Nor Flash的區(qū)別      

 

（1）啟動方式不同     

 

開發(fā)板上電啟動時，Nand Flash會先把Nand Flash中前4K內(nèi)容自動拷貝到片內(nèi)內(nèi)存（SRAM）中去，然后CPU從SRAM的0地址開始執(zhí)行程序。用戶不能直接運行Nand Flash上的代碼，因此多數(shù)使用Nand Flash的開發(fā)板除了使用Nand Flash以外，還用上了一塊小的Nor Flash來運行啟動代碼。    

 

Nor Flash在啟動時直接從0地址開始運行，CPU從Nor Flash的0地址開始執(zhí)行程序。    

 

（2）接口差別    

 

Nand Flash是I/O串行接口，通過8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，所以基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。

    

Nor Flash帶有SRAM接口，可以輕松地掛接在CPU的地址、數(shù)據(jù)總線上，對CPU的接口要求低；有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。但不同容量的NorFlash的地址線需求不一樣，Nor Flash芯片容量升級不便。    

（3）Nand Flash和Nor Flash的性能比較    

 

Nand Flash和Nor Flash均為非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。但在性能上有以下差別：    

 

1）讀取數(shù)據(jù)時，Nand Flash 首先需要進行多次地址尋址，然后才能訪問數(shù)據(jù)；而 Nor Flash是直接進行數(shù)據(jù)讀取訪問，因此NOR的讀速度比NAND稍快一些。    

 

2）NAND器件執(zhí)行擦除操作簡單，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。同時，NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少，因此NAND的擦除速度遠比NOR的快很多。    

 

3）NAND寫入單元小，寫入速度比NOR快很多。    

 

（4）容量和成本對比    

 

Nand Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，因此相同容量下，NAND器件的成本比NOR低。    

 

（5）能耗不同    

 

NOR閃存在初始上電期間通常需要比NAND閃存更多的電流。但是，Nor Flash的待機電流遠低于Nand Flash。兩者的瞬時有功功率相當，因此，有效功率由存儲器活動的持續(xù)時間決定。Nor Flash在隨機讀取方面具有優(yōu)勢，而Nand Flash在擦除、寫入和順序讀取操作中消耗的功率相對較低。    

 

（6）Nand Flash和Nor Flash的壽命(耐用性)    

 

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些，nand器件的耐用性強于nor。    

 

（7）可靠性對比    

 

在Flash的位翻轉(zhuǎn)（一個bit位發(fā)生翻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象上，NAND的出現(xiàn)幾率要比Nor Flash大得多。這個問題在Flash存儲關(guān)鍵文件時是致命的，所以在使用Nand Flash時建議同時使用EDC/ECC等校驗算法，提高可靠性。    

 

NAND器件中的壞塊是隨機分布的，需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。而壞塊問題在Nor Flash上是不存在的。    

 

（8）軟件支持    

 

當討論軟件支持的時候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。    

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。    

 

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。    

 

其他作用    

 

驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。      

 

市場應(yīng)用       

 

Nand Flash市場應(yīng)用    

 

從應(yīng)用形態(tài)上看，Nand Flash的具體產(chǎn)品包括USB（U盤）、閃存卡、SSD（固態(tài)硬盤），以及嵌入式存儲（eMMC、eMCP、UFS）等。USB屬于常見的移動存儲設(shè)備，閃存卡則用于常見電子設(shè)備的外設(shè)存儲，如相機、行車記錄儀、玩具等。    

 

SSD即常見的固態(tài)硬盤，一般應(yīng)用于個人計算機、服務(wù)器等領(lǐng)域。SSD作為新興的大容量存儲設(shè)備，具有磁盤（傳統(tǒng)HDD硬盤）所不具備的優(yōu)點，前些年由于SSD高昂的價格，只攻占了磁盤的少部分領(lǐng)域。由于近年SSD價格下降，以及數(shù)據(jù)中心的迅速擴張，數(shù)據(jù)存儲的需求也在不斷上升，因此由SSD驅(qū)動的Nand Flash的需求增速也較為迅速。    

 

嵌入式存儲是Nand Flash應(yīng)用的另一大領(lǐng)域。其特征是將Nand Flash存儲芯片與控制芯片封裝在一起，控制芯片采用特定的通訊協(xié)議，可提升存儲數(shù)據(jù)通訊的速度與穩(wěn)定性。    

 

嵌入式Nand Flash存儲廣泛應(yīng)用于手機、平板電腦、游戲機、車載電子等需求高容量存儲的新興領(lǐng)域，該手機主板采用的是eMMC。與計算機相同，手機同樣需要處理器、DRAM和Nand Flash，區(qū)別在于其產(chǎn)品的最終形態(tài)不同，計算機內(nèi)部的形態(tài)為CPU+內(nèi)存條+硬盤，而手機則采用eMMC或eMCP兩種形式：“處理器+eMCP”或“集成了LPDDR的處理器+eMMC”。    

 

Nor Flash市場應(yīng)用    

 

嵌入式存儲是Nor Flash的主要應(yīng)用領(lǐng)域，基于其讀寫速度快、可靠性高、成本高、可芯片內(nèi)執(zhí)行程序的特點，多用來存儲少量代碼、程序、操作系統(tǒng)等重要信息。    

 

近幾年，Nor Flash市場飛速增長，該增速主要得益于汽車電子和物聯(lián)網(wǎng)、5G和智能手機及其周邊（如TWS耳機和可穿戴式設(shè)備）等需求的推動。    

 

隨著智能產(chǎn)品需要實現(xiàn)的功能越來越多，為了存儲更多固件和代碼程序，則選擇通過外擴一顆甚至更多的Nor Flash來實現(xiàn)。    

 

應(yīng)用場景有：    

 

（1）智能手機及周邊設(shè)備：OLED屏是有機屏幕，它內(nèi)部需要一個補償算法，該算法存儲在Flash里面；另外還有TDDI屏以及屏下指紋的模組，它們都需要一個Flash來存儲驅(qū)動和算法。    

 

（2）物聯(lián)網(wǎng)：伴隨著5G基站的高密度布局，萬物互聯(lián)時代的數(shù)據(jù)流源源不斷，人與人之間、人與設(shè)備之間、人與云端服務(wù)器之間、設(shè)備與設(shè)備之間的各種數(shù)據(jù)交互都會產(chǎn)生海量的IoT節(jié)點，且這些節(jié)點對應(yīng)的設(shè)備都會用到Nor Flash。比如，當前最流行的TWS耳機需要內(nèi)置兩顆Nor Flash。    

 

（3）車載：小到車載攝像頭，大到高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），車用子系統(tǒng)由于程序代碼量較大則會采用外部Nor Flash芯片，汽車儀表盤是通過Nor Flash來實現(xiàn)快速啟動的。    

 

（4）工業(yè)領(lǐng)域：例如新標準智能電表為延長數(shù)據(jù)量存儲期限，使用Nor Flash替代鐵電存儲。    

 

（5）5G、通訊設(shè)備：5G基站、微基站催生出了各種各樣的節(jié)點設(shè)備，5G 還加速推動了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、邊緣計算的發(fā)展，這些應(yīng)用都離不開Nor Flash。

 

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